核能的發現促進能源與醫療的發展，宛如發現上天賜予的寶物，我們對核能抱著種種期待，但水能載舟亦能覆舟，此次日本的核災危機，為全世界的人針對核安問題上了一課，警示人類面對核能應有的謹慎。
魏和祥
日本福島核能電廠發生事故，有下列幾點核能的資訊，值得大家參考，建立一些基本認識。
福島第一核能發電廠基本介紹
福島第一核能發電廠總共有6座反應爐：編號一～六。全部屬於沸水（壓水）式反應爐（The Boil Water Reactor, BWR），其中三號爐的核燃料鈽（239Pu）是由鈾–238（238U）孳生而來。而其他反應爐的核燃料是鈾–235（235U，濃度約15％以下）。
核能發電設備最重要有「反應爐」以及「熱交換及冷卻系統」。反應爐中重要的有核燃料棒及其包殼（Cladding）、中子源、控製棒、爐的容器、水（圖一）。一、二、四、五號核燃料棒為二氧化鈾（UO2）及八氧化三鈾（U3O8），三號核燃料棒為二氧化鈽（PuO2），是由238U孳生之MOx式（金屬氧化物的混合物，M代表金屬)，其中內含少量約0.3％鈾–235。中子源以鈹–9同位素（9Be）為主，控製棒（control rod）是要控制連鎖反應的物質，因此材料為易吸收中子者，如銀銦鎘的合金（Ag-In-Cd alloys）。核反應爐的容器為強化鋼筋混凝土（Reinforced concrete containment vessel, RCCV），並充滿了水。
地震海嘯來襲 福島一廠失守
3月11日外海淺層（24公里）發生芮氏9.0級大地震，並產生了15公尺的海嘯，使核能發電設備遭受嚴重破壞。由於外圍電力供應被破壞，無法電動運送冷卻水進入爐內，不能將熱蒸汽冷卻，而使爐內水的溫度升高，致爐心溫度也升高，引發了一系列化學反應及氫氣爆炸。
氫氣爆炸並炸開外反應爐上建築物的原因是什麼呢？從熱力學觀點來看，水必需要在2000℃以上，方能分解為氫氣及氧氣，因此，即使水形成為高溫水蒸汽也不易分解，不會有氫爆。核燃料棒的包殼必須是吸收中子效率很低的材料，鋯（Zr）就是具有這種特性的元素之一。包殼材料就是使用鋯合金，其中含有98％的鋯，以及其他少量的鐵、鎳等。可是，當爐心溫度高達到約 900℃時，就會進行下面的化學反應，引發氫爆：
隨著氫氣爆炸之後，水量突然大量減少而降低水位，致核燃料棒露出水面。
輻射外洩之因與輻射汙染之慮
這次有放射性元素「銫–137」（137Cs, Cesium)，以及碘素（131I, iodine）的外洩，由於這兩種核種（Nuclides）都放出β－射線，對身體破壞力較強。因銫–137是原子爐內才會有的放射物質，如果在核電廠周圍檢測出銫–137，表示原子爐已經有小量熔解而破損的現象，表示爐心溫度超過固體核燃料熔點約2000℃以上，所以才會漏出銫–137。
為什麼要吃碘片（KI）呢？主要是讓體內碘的濃度飽和，就可防阻甲狀腺吸收外界的碘–131（131I）。但是目前輻射劑量不是很高，不用擔心，而且因為碘–131的半衰期只有8.02天，消失的很快。在台灣，日本的輻射塵又不易吹來，不管如何，實在不用吃碘片。另一方面，銫–137的半衰期約30.17年，若爐心溫度降不下來，那後果就比較堪慮了。
搶救福島一廠 日本的緊要措施
第一步就是從陸、海、空灌水到反應爐心及爐內之使用過核燃料儲存槽，使爐心溫度下降，最好在100℃以下，不再有水沸騰氣爆發生。另一方面灌入硼酸 （B2O3），它是最好的中子吸收劑，可降低中子源，抑制核反應。其次就是外接電力，將冷卻水恢復自動運轉，這才是真正的解決之道。
為什麼三號爐之搶救最為重要？因為三號爐的核燃料主要是鈽–239，若爐熔化爆炸，鈽–239對人類災害相當大。除輻射線之外，鈽–239的生命期（life-time）更長達2萬4000年，為害久遠。
從3月21日凌晨起，已將一～六號爐全部降溫到100℃以下，表示經過這些天的灌救，似乎已經奏效，但仍應多加注意，防止其再度升溫。此外，一、二、五、六號機也已成功外接電力，將冷卻水恢復自動運轉，這是好消息，希望三、四號機也能如此。但是否能正常復原運轉，仍是未知數。
三號機之爐內氣壓，起初尚未降到安定狀態，但現在已獲控制，應該不會有爆炸的可能。以專業角度來看，福島第一核能發電廠事故之危機，應已大致解除，但還要注意觀察及警戒。
輻射線劑量單位及自然輻射線
西弗（sievert, Sv）：是衡量輻射劑量對生物組織的影響程度的單位，用來表示輻射對人體影響的程度，而1西弗＝1焦耳∕公斤（J/kg）。但西弗單位表示相當大，所以常會用毫西弗（mSv）與微西弗（μSv）來表示，1西弗等於1000毫西弗，而1毫西弗等於1000微西弗。接觸到的環境只要維持在100毫西弗以內都是正常可接受的，據3月21日早晨的報導，核能發電廠上空及附近偵測到的劑量已從3.5毫西弗下降至2.5毫西弗，而工作人員暴露量超出100毫西弗，雖不大好，但無致命性危險。
自然存在的放射性元素：日常生活中我們人類本身就暴露在地球自然的放射性環境中。超過60種放射性核種元素（radioactive elements）與地球同在（表一），加上宇宙線造成的氫–3（H-3）、 鈹–7（Be-7）及碳–14（C-14）都包括在內。許多放射性核種幾乎與地球形成同時一起誕生，存留至今。而且，這些放射性核種與無放射性同位素（原子序與化學性質相同）共同存在。因此人類原本就暴露在其中，尤其愛好奇晶玉石者，暴露的機會更多，但也不必太擔心，不致於嚴重危害身體。根據美國的研究，成年人每天接受之自然輻射線有效劑量約為10微西弗，一年累積為3600微西弗，人的一生（100年）就會接受36萬微西弗，就目前日本人的壽命來看，他們有近100多萬人超過100歲，可見低劑量輻射線對人類並非致命性的重要因素。
表一：地球上主要的放射性核種元素
至於有人擔心這次福島核電廠事故散布到太平洋的銫–137，是否會毒害海洋生物？以目前輻射劑量強度，在核電廠的近海暫時會有汙染，但不久後溶入海洋，濃度及強度都會稀釋到相當微小，因此不用擔心。反而要擔心的是不斷地從深海地震地殼或岩石內部釋出之自然放射線核種。
事故後 電廠留存、輻射殘留問題
福島核電廠方圓20公里內暫時不宜久留，不宜飲用、食用當地的水或動、植物，需等輻射汙染處理過後才可以。各反應爐均已降溫，不致再有輻射外洩的可能，輻射汙染不致加深。
因曾經用海水灌救過反應爐，所以反應爐不可能再使用。日本政府於3月20日宣佈，福島第一核能發電廠一～六號機有可能廢爐停止運作，其中破壞不大的一號或五、六號或許暫時可運轉，來協助自動處理爐心的核燃料安全移除，但也是暫時性，終究會完全停止運作。
調查及處理福島核電廠方圓30公里以內之各種物件，如土地、河川、作物等的輻射汙染，是一件大工程。這一點，因日本曾受原子彈侵襲過、對這方面有相當經驗。不過這6座爐最好在停止運轉之後，能把核燃料棒抽出，外移並冷卻，棄除中子源及降低輻射強度。
結 語
從這次的核災難，筆者有列幾點省思：
一、100年來核能的悲喜劇，大家要回首居禮夫人當初的期待，利用核能治病與和平用途。今天，人類已享受了60多年的核子醫療及核能發電，核能本身無罪，而天災人禍導致悲劇。
二、人類最不該的是第一次世界大戰之後，二次大戰的兩顆原子彈（廣島的鈾原子彈，長崎的鈽原子彈），人類自相殘殺的數目是地球動物史上最為殘酷。從1950~1990年期間，美蘇兩國為首，把核能技術的研究發展，集中在核子武器，而把核能發電的技術研究發展看成次要。到目前為止，雖然法、德、日等國沒停止發展，但力量有限。
三、台灣的核能電廠型號與結構建造（由G.E.授權日本建造），皆與日本福島一廠大同小異。這次日本核能災難的救災與今後處理的方法，都值得我們借鏡。
四、人類物質文明至今日，面臨能源問題、環境問題、溫室效應問題，要何去何從必須好好省思。（本文資訊與數據為截稿時間2011年3月21日止）
魏和祥：任教淡江大學化學系
核能發電原理
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